Аморфные полупроводники и приборы на их основе - Хамакава Й.
Скачать (прямая ссылка):
145. ShirafujiJ. etal. - J. de Phys., 42(1981), Suppl. 10, p. C4-583.
146. Deneuville A., Brugere J.C., Hamdi H. - J. de Phys., 42 (1981) Suppl. 10, p. C4-733.
147. Shanks H.R., Jeffrey F.R., Lowry M.E. - I. de Phys., 42, (1981) Suppl. 10, p. C4-773.
148. Allan D.C, Joannopoulos J.D. - Phys. Rev. Lett. 44 (1980) 43.
149. ShirafujiJ. etal. - Appl. Phys. Lett. 41 (1982) 535.
150. Oka S. etal. - J. Appl. Phys., 52 (1981) 7275.
3. НОВЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АМОРФНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
3.1. ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ (ЭПР) И ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ (ЯМР) РЕЗОНАНСЫ
Т.ШИМИЗУ (Tatsuo Shimizu. Department ofElectronics, Faculty of Technology, Ka-nazawa University)
Представлены результаты недавних исследований дефектов в аморфных полупроводниках с тетраэдрическими связями, проводившихся в лаборатории автора с помощью методов магнитного резонанса. Особое внимание уделено связи между дефектами и присутствием Н и F. Магнитные резонансы, электронный парамагнитный и ядерный магнитный, позволяют получить важную информацию относительно природы дефектов и механизма вхождения Н и F с микроскопической точки зрения. Эта информация представляет особый интерес при попытках снизить количество дефектов, которые ухудшают качество пленки в приборных структурах.
3.1.1. Химическая связь и структура аморфных полупроводников
Атом кремния имеет координационное число 4 и его структурная свобода мала. Поэтому в аморфном состоянии в определенных локальных участках должны возникать значительные деформации. Когда эти деформации превышают определенный предел, полная энергия стремится уменьшиться за счет разрыва сильно деформированной связи Si-Si. Оценки плотности свободных ("оборванных") связей, проводившиеся методом ЭПР, показали величину 10"-1020 см"3 в отсутствие Н или F в a-Si.
Такая большая плотность свободных валентных связей не может быть существенно уменьшена при помощи термообработки. В некоторых случаях термооб-
6 - 537
81
работка уменьшает эту плотность до 1018 см"3, однако при этом считается, что такое уменьшение вызвано введением кислорода во время термообработки, который имеет координационное число 2 [ 1 ].
Элементы Н и F имеют координационное число 1, поэтому, взаимодействуя со свободными валентными связями, они играют роль агентов, замыкающих связь (терминаторов). В то же время уменьшение свободных связей в a-Si с Н или F связано с возрастанием степени структурной стабильности за счет наличия Н и F с координационным числом 1. Наличие атомов с таким координационным числом делает возможным существование структуры аморфного кремния, в которой отсутствуют сильные деформации и высокая плотность свободных связей.
Свободные связи с плотностью 101 9- 1020 см"3 могут быть полностью заполнены, если содержание Н или F составляет около 0,1% (ат.). Эксперименты, однако, показывают, что для уменьшения плотности свободных связей необходимы значительно большие количества Н или F. Это свидетельствует о том, что Н и F не всегда наиболее эффективно заполняют свободные связи.
Известно также, что эффект уменьшения плотности свободных связей может быть различным, в зависимости от механизма растворения Н или F при одинаковом их количестве. Поэтому очень важно изучить взаимосвязь механизма растворения Н или F и плотности дефектов.
Механизм растворения Н или F изучался путем измерения поглощения инфракрасного (ИК) излучения, связанного с различными колебаниями связей Si Н или Si-F. Из ИК-измерений можно получить сведения о типе связей в системах SiH, SiH2, SiH3, (SiH2)w, SiF, SiF2, SiF3. (SiF,),,. SiF4. Однако из данных по ИК-поглощению нельзя сделать вывод о том, однородно ли распределены эти комплексы в пленке или образуют ассоциации. Такую информацию дают результаты по ЯМР Н или F. Сообщения о локальном окружении Н и I получены с помощью ЯМР [2, 3]. Метод ЯМР дает также информацию о возможности перемещения Н или F [3).
В кристаллическом кремнии типичными дефектами являются отдельные вакансии, дивакансии и т.д. и существование изолированных свободных связей исключается. Однако в аморфном состоянии изолированная свободная связь является типичным дефектом. Предполагается, что ЭПР-сигнал с к = 2,0055, наблюдаемый в a-Si, связан с наличием свободных связей.
3.1.2. ЭПР в a-Si:H, a-Si:F и a-Si:(F, Н)
На рис. 3.1.1 показана зависимость спиновой плотности для ЭПР с g = 2,0055, связанного со свободными связями, от содержания Н, оцененного из интенсивности ИК-поглощения на колебаниях Si—Н [4]. Точки 1 относятся к результатам для пленок Si:H, полученных высокочастотным распылением (ВЧР) в смеси газов Аи + Н2 с водоохлаждае-мой подложкой, а точки 2 характеризуют те же пленки, но с температурой подложки 250 °С. Быстрое уменьшение спиновой плотности с увеличением содержания Н происходит благодаря повышению гибкости жесткой структуры аморфного кремния с координационным числом 4 за счет введения водорода с координационным числом 1, о чем упоминалось выше.
Тот факт, что спиновая плотность меньше в пленках с более высокой температурой подложки (при одинаковом содержании Н), свидетельствует о влиянии тепловой релаксации на спиновую плотность.
